番茄潘那利中两个ERD15基因的功能鉴定

【摘要】：植物在生长发育过程中经常遭遇各种非生物逆境,威胁着其生存,如干旱,盐碱和极端温度等。植物通过调整生理和代谢的适应性来应对这些逆境。植物响应逆境的关键途径之一是通过调控基因的表达改变细胞的功能,这一应答过程涉及转录因子和相关的功能蛋白调控的复杂网络。所有这些复杂的过程都涉及蛋白质的相互作用或翻译后的修饰等,最终产生有功能的物质,如糖类、相容性溶质、抗氧化物质及清除有毒物质如活性氧等的物质。 本研究主要研究了与番茄发育和非生物胁迫响应相关的重要调节因子ERD15(Early Responsive to Dehydration 15)家族的两个基因。这两个基因是SpERD15-1和SpERD15-2,它们是从野生番茄潘那利中扩增得到的。这两个基因的表达均受环境信号的诱导,且表达谱相似。逆境处理下,如干旱、盐害、高温、低温、百草枯、赤霉素、脱落酸和乙烯处理都能诱导这两个基因的表达。这两个基因的转录水平都表现出昼夜规律,正午之前一直处于低表达水平,然后不断增加直到午夜。但两个基因的表达仍存在一定差异,SpERD15-1在潘那利番茄的老叶片、根和茎中转录水平较高,而SpERD15-2在花、果实、根和茎中的表达水平较高。 ERD15家族的两个基因SpERD15-1和SpERD15-2具有相似的序列,并且和拟南芥中的ERD15基因具有一些相似性。它们均具有PAM2模体,该结构高度保守,是能与PABP蛋白C端互作的基因共有的。这结构域在SpERD15-2也发挥功能,双分子荧光互补分析(BiFC)也证实SpERD15-2与PABP相互作用。此外,在烟草中超量表达SpERD15-1基因同样诱发共抑制现象,这是由于SpERD15-1与烟草ERD15有90%的相似性。 超量表达两个基因的转基因番茄均提高了对干旱、渗透胁迫和氧化逆境的抗性,同时也表现出对盐胁迫的部分适应性。SpERD15-1基因超量表达转基因番茄使可溶性糖含量和脯氨酸含量增加,而脂质过氧化作用减少,这与胁迫基因的表达水平变化紧密相关。这些溶解物可通过多条途径行使功能,如保护细胞的结构,酶的解毒,清除ROS以及与其他酶防御系统的结合。这些化合物确保了植物细胞膜的完整性和光合作用系统的功能。在超量表达植物中观察到Fv/Fm值高于野生型。在共抑制系中光抑制的减少可能是由于脯氨酸含量减少导致的。冷胁迫下,超量表达系积累渗透物质以保持原生质膜感应和传输胁迫信号的能力。此外,SpERD15-1超量表达株系中渗透物质的积累有助于克服高盐的渗透胁迫下而正常生长,它提供了额外的表面积隔离有毒离子,干物质积累和叶面积显著提高。 总之,ERD15基因提高逆境胁迫抗性主要是通过增强渗透调节,共同协调改变逆境相关基因的表达。ERD15基因的大部分功能仍然未知,本研究通过番茄ERD15的功能鉴定为植物发育和逆境响应的研究提供了一条途径。